揭秘大腦發(fā)育中神經(jīng)回路如何正確連接，中國(guó)學(xué)者獲國(guó)際神經(jīng)生物學(xué)獎(jiǎng)，將回國(guó)加入西湖大學(xué)

撰文丨王聰

編輯丨王多魚(yú)

排版丨水成文

神經(jīng)生物學(xué)研究在深化人類(lèi)對(duì)大腦及神經(jīng)系統(tǒng)功能認(rèn)知方面的重要性日益顯著，該領(lǐng)域的探索在未來(lái)幾十年里似乎注定會(huì)實(shí)現(xiàn)突破性發(fā)展。

為此，生命科學(xué)公司Eppendorf與《科學(xué)》雜志/美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（Science/AAAS）在2002 年設(shè)立了Eppendorf & Science 神經(jīng)生物學(xué)獎(jiǎng)這一國(guó)際獎(jiǎng)項(xiàng)，該獎(jiǎng)項(xiàng)每年授予一名不超過(guò)35 歲的年輕科學(xué)家，旨在表彰其在過(guò)去三年中，基于分子、細(xì)胞、系統(tǒng)或有機(jī)體生物學(xué)方法所進(jìn)行的最杰出的神經(jīng)生物學(xué)研究。

近日，2025 年Eppendorf & Science神經(jīng)生物學(xué)獎(jiǎng)揭曉，呂程博士獲獎(jiǎng)【1】，這也是該獎(jiǎng)項(xiàng)自 2002 年設(shè)立以來(lái)，第二次授予中國(guó)學(xué)者。

呂程，2012 年于北京大學(xué)獲得物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，2015 年于北京大學(xué)獲得物理學(xué)碩士學(xué)位，2021 年于洛克菲勒大學(xué)獲得神經(jīng)科學(xué)博士學(xué)位，此后在斯坦福大學(xué)進(jìn)行博士后工作，合作導(dǎo)師為著名神經(jīng)生物學(xué)家、，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士駱利群教授，研究果蠅神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在發(fā)育過(guò)程中的組裝原理。呂程博士將于 2026 年全職加入西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，任特聘研究員，博士生導(dǎo)師。

獲獎(jiǎng)相關(guān)研究解讀

呂程博士此次獲獎(jiǎng)，基于他的一系列大腦神經(jīng)環(huán)路組裝的研究。部分研究以：Dimensionality reduction simplifies synaptic partner matching in an olfactory circuit 為題，于 2025 年 5 月 1 日在線發(fā)表于Science期刊【2】。其余部分研究見(jiàn)兩篇預(yù)印本【3、4】。

該系列研究首次揭示果蠅嗅覺(jué)環(huán)路通過(guò)“降維策略”將突觸配對(duì)問(wèn)題從三維空間簡(jiǎn)化為一維線性搜索，為神經(jīng)環(huán)路發(fā)育的普適性原理提供了關(guān)鍵證據(jù)。研究通過(guò)同時(shí)調(diào)控多個(gè)連接分子在發(fā)育過(guò)程中的表達(dá)，成功實(shí)現(xiàn)了不同神經(jīng)元類(lèi)型之間的特異性重連接，并誘導(dǎo)出雄蠅相互求偶并形成“求偶鏈”等特定行為表型。（以下內(nèi)容重點(diǎn)介紹Science論文）。

三維空間中的“配對(duì)”難題

如果你置身于一個(gè)巨大的立體迷宮，需要在三維（3D）立體空間中尋找唯一正確的目標(biāo)，顯然非常具有挑戰(zhàn)性。

而我們的大腦中的神經(jīng)元所面臨的挑戰(zhàn)還要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越，數(shù)以百億計(jì)的神經(jīng)元的軸突和樹(shù)突之間如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)配對(duì)，以形成復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這一直是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的核心謎題。

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)選擇了果蠅嗅覺(jué)系統(tǒng)作為模型來(lái)探索這一難題，果蠅的觸角葉（Antennal lobe）中約 50 種嗅覺(jué)受體神經(jīng)元（ORN）與投射神經(jīng)元（PN）形成一對(duì)一的固定且精準(zhǔn)的突觸連接（Glomeruli），且這些突觸球在三維空間中分布復(fù)雜，部分位于表面，部分深埋內(nèi)部。

傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，每個(gè)軸突需要在復(fù)雜的 3D 空間中“掃描”所有可能的配對(duì)伙伴。但該研究發(fā)現(xiàn)，大自然采用了一種更聰明的辦法。

從 3D 到 2D：表面相遇的智慧

研究團(tuán)隊(duì)首先開(kāi)發(fā)了一套能夠特異性標(biāo)記不同類(lèi)型神經(jīng)元的技術(shù)，從而能夠追蹤單個(gè)神經(jīng)元在整個(gè)發(fā)育過(guò)程中的變化。他們觀察到一個(gè)關(guān)鍵現(xiàn)象：無(wú)論成年后位于表面還是內(nèi)部的神經(jīng)元，在發(fā)育早期都會(huì)將樹(shù)突延伸到觸角葉表面。

這就像是在一個(gè)球形建筑中，所有住戶都先到表面“會(huì)面”，然后再各自回到自己的立體位置。這種策略將三維搜索問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維表面上的相遇。

從 2D 到 1D：弧形軌跡的精妙設(shè)計(jì)

更令人驚嘆的是，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，每個(gè)類(lèi)型的 ORN 軸突在觸角葉表面沿著特定的弧形軌跡移動(dòng)。這些軌跡就像預(yù)設(shè)好的線路，確保每個(gè)軸突只會(huì)經(jīng)過(guò)其正確配對(duì)伙伴所在的區(qū)域。

通過(guò)精確的定量分析，研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)，每個(gè) ORN 類(lèi)型只需要在其 1D 軌跡附近搜索少數(shù)幾個(gè)候選 PN，而不是從 50 個(gè)所有可能性中盲目選擇。這種“降維策略”大大提高了連接配對(duì)的正確性和效率。

為了驗(yàn)證這一發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)基因操作改變 ORN 軸突軌跡，干擾與其對(duì)應(yīng)的 PN 樹(shù)突的表面相遇，結(jié)果正如預(yù)測(cè)的那樣，配對(duì)正確率顯著下降。

這項(xiàng)研究的意義遠(yuǎn)不止解析果蠅嗅覺(jué)系統(tǒng)，更有助于理解神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的深層次原理，也為理解大腦如何構(gòu)建復(fù)雜功能提供了重要線索。

此外，該研究揭示的“降維策略”，可能是自然界解決復(fù)雜問(wèn)題的通用法寶——通過(guò)分解難題，降低即時(shí)決策的復(fù)雜度，從而提高系統(tǒng)的魯棒性和準(zhǔn)確性，這對(duì)于我們解決復(fù)雜挑戰(zhàn)亦有啟發(fā)。

引用文獻(xiàn)：

1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb5128

2. https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads7633

3. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2025.03.01.640986v1

4. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2025.03.01.640985v2